异步电机的变压调速matlab仿真.docx
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异步电机的变压调速matlab仿真
综合性设计型实验报告
实验名称：
三相异步电动机调压调速
姓名：
学号：
专业：
所在院系：
指导教师：
实验时间：
综合性设计型实验报告
系别：
班级：
2011—2012学年第1学期
学号
姓名
指导教师
课程名称
综合设计型实验
课程编号
062030227
实验名称
三相异步电动机调压调速
实验类型
综合设计型
实验地点
实验时间
2011年12月13—24日
实验内容：
（简述）
一、三相异步电动机转速电流双闭环调压调速系统仿真实验
1.绕线形异步电动机转子串电阻时的人为机械特性仿真。
2异步电机开环调压调速系统特性仿真。
3.异步电机双闭环调压调速系统的特性仿真。
4.三相异步电动机的制动特性仿真
实验目的与要求
1、实验目的：
了解三相异步电动机调压调速原理，熟悉三相异步电动机调压调
速系统组成，运用Matlab仿真软件进行三相异步电动机调压调
速系统开环、转速单闭环和转速、电流双闭环的仿真实验。
二、实验要求：
1、了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速系统的原理及组成
2、了解转子串电阻的绕线式异步电机在调节定子电压调速时的机
械特性。
3、通过三相异步电动机的仿真，进一步理解交流调压调速系统。
设计思路：
（设计原理、设计方案及设计流程）
1、设计原理
1.三相异步电动机调速原理
对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。
所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。
三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。
交流异步电动机机械特性的参数表达式如下：
变压调速是异步电动机调速方法中的一种，由三相异步电动机机械特性参数表达式可知，当异步电动机等效电路的参数不变时，在相同点的转速下，电磁转矩
与定子电压
的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定负载转矩下的转速。
2.三相异步电动机的能耗制动原理
将运行着的异步电动机的定子绕组从三相交流电源上断开后，立即接到直流电源上。
当定子绕组通入直流电源，将在电机中将产生一个恒定磁场。
当转子因机械惯性按原转速方向继续旋转时，转子导体会切割这一恒定磁场，从而在转子绕组中产生感应电势和电流。
转子电流又和恒定磁场相互作用产生电磁转矩T，根据右手定则可以判断电磁转矩的方向与转子转动的方向相反，则T为一制动转矩。
在制动转矩作用下，转子转速将迅速下降，当n=0时，T=0，制动过程结束。
二．设计方案
对异步电机的调压调速系统进行分析,构造其数学模型,并用Matlab/Simulink来实现异步电机的模型，并通过异步电动机定子电压的变化对电机启动过程中的定、转子电流、电磁转矩和转速的影响为例子进行模型仿真，并得出其仿真结果。
首先采用异步电动机开环进行变电压调速时，调速范围很窄，机械特性又变软，因而当负载变化时静差率很大，开环控制很难解决这个矛盾。
为此，采用带转速反馈的双闭环控制系统，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围较大，机械特性交硬，抗扰性能好。
由于能耗制动的优点是制动力强，制动较平稳。
缺点是需要一套专门的直流电源供制动用，所以也做了仿真。
本设计采用从开环到转速电流双闭环调速系统最后做了能耗制动的仿真。
电流环在里边，作为内环；转速环在外边，作为外环系统原理图如下：
三相异步电动机双闭环调压调速系统原理图
三、设计流程
1.熟悉三相异步电动机双闭环调压调速系统的原理及组成。
对系统进行数学建
模，确定系统的各个环节的参数计算方法及各参数之间的关系。
2.熟悉Matlab/Simulink仿真软件，学习Matlab编程语言，熟悉Simulink仿
真环境。
3.根据设计要求，运用Matlab编程语言进行“三相异步电动机改变电压时的机
械特性”仿真。
在Simulink环境下进行系统动态仿真。
4.总结实验材料，撰写设计型实验报告内容。
关键技术分析：
1.Simulink仿真步长的设定
根据模型的精度，越小越好，比如5e-5。
但越小对仿真速度的影响越大，所以这个数的选取主要是在满足精度的条件下，尽可能的大。
2.Simulink仿真时间的设定
注意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只是计算机仿真中对时间的一种表示，10秒的仿真时间，如果采样步长定为0.1，则需要执行100步，若把步长减小，则采样点数增加，那么实际的执行时间就会增加。
一般仿真开始时间设为0，而结束时间视不同的因素而选择。
总的说来，执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多因素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。
实验过程：
（包括主要步骤、成果介绍、实验分析）
利用Matlab/Simulink进行三相异步电动机的机械特性仿真；三相异步电动机开环调压调速系统仿真，三相异步电动机转速电流双闭环调压调速系统仿真和三相异步电动机的制动特性仿真。
我们在Matlab/Simulink下的异步电机模型中所选电机参数为：
一.三相异步电动机调压调速
1．三相异步电动机的机械特性仿真
异步电动机的机械特性是在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或转差率的关系。
本设计利用Matlab/Simulink对其特性进行仿真，以便分析三相异步电动机转差率与转矩的关系。
仿真程序见附录。
异步电动机机械特性仿真结果
异步电动机机械特性仿真结果如图2所示。
图2异步电动机机械特性仿真结果
三相异步电机机械特性的分析
图2为三相异步电动机转差率与转矩的关系，降低电源电压时，电动机的转矩将按电压的平方降低，但临界转差率不变。
绘出不同电压时某一台电动机的人为特性曲线如图2所示。
由图可见：
降压后的机械特性变“软”，启动能力和过载能力都下降。
如果此时的负载转矩大于电磁转矩则将停止运转；如果此时的负载转矩小于电磁转矩可继续运转，但转速n下降，转差率s增大，转子电动势增大，导致电流增大，使电动机过载，这样长期过载会使电动机的温升将超过允许值，影响电动机的使用寿命，甚至烧毁绕组。
2.三相异步电动机开环调压调速系统仿真实验
三相异步电动机直接起动的起动转矩较大，但起动电流也大，通常用于小功率电动机。
直接起动的电路比较简单，用MATLAB进行电路仿真也比较容易。
Simulink仿真模型如图3所示。
建立三相异步电动机的直接起动仿真模型，可以采用SIMULINK提供的仿真模块，如交流电源、电压测量、异步电动机、电动机测量等。
其中，异步电动机模块位于[PowerSystem]库中。
图3三相异步电动机开环调压调速模型
.三相异步电动机开环调压仿真结果及分析
运行上述仿真模型，可以得到起动过程中电动机的转矩、电流、转速变化规律曲线，如图4所示。
图4开环仿真结果
分析：
由图可看出开环控制系统的主要优缺点。
优点：
开环控制系统无反馈回路，结构简单，成本较低。
缺点：
控制精度低，容易受到外界干扰，输出一旦出现误差无法补偿。
不能对控制结果加以修正、调节，是个单程的控制流向。
因此要使用双闭环调压调速。
2．三相异步电动机转速电流双闭环调压调速系统仿真实验
三相异步电动机调压调速仿真模型
Simulink仿真模型该仿真模型和开环完全相同，这里直接给出，如图5所示。
图5三相异步电动机调压调速仿真模型
三相异步电动机调压调速仿真结果及分析
将电动机工作电压修改为180V，重新运行模型的仿真结果如图6所示。
图6三相异步电动机调压调速仿真结果
分析：
双闭环系统中，增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。
双闭环调速系统具有较满意的动态性能，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。
当负载发生变化后，通过速度反馈，自动控制加在电动机定子上的电压高低。
二．三相异步电动机的制动特性仿真
三相异步电动机能耗制动仿真模型
所谓能耗制动（动力制动）是指，当三相异步电动机与交流电源断开后，立即在定子绕组内通入直流电流，这时电动机的磁场不再随时间变化，是一个恒定的磁通，电动机的转子由于惯性而在原方向上继续转动，转子绕组切割恒定磁通后，产生感应电动势及电流，转子电流与磁通相互作用产生电磁转矩，这个转矩阻止转子转动，起到了制动作用。
由于能耗制动过程涉及模型结构的变化，因此整个仿真过程应该分成两个阶
段进行。
首先构造制动以前稳态运行模型，Simulink仿真模型如图4.9所示。
图4.9三相异步电动机能耗制动前仿真模型
然后，构造将要制动的新模型，如图4.10所示。
该模型就是将三相交流电源去掉，给定子绕组重新加上直流电源。
图4.10三相异步电动机能耗制动后仿真模型
三相异步电动机能耗制动仿真结果及分析
制动之前，运行稳态仿真模型，并在MATLAB指令窗口执行如下指令。
xInitial=xFinal
然后，修改仿真模型并运行，仿真结果如图4.11所示。
（a）制动前
（b）制动后
图4.11三相异步电动机能耗制动仿真结果
分析：
制动作用的强弱与直流电流的大小和电动机转速有关，在同样的转速下电流越大制动作用越强。
一般取直流电流为电动机空载电流的3～4倍，过大会使定子过热。
制动转矩随电动机的惯性转速下降而减小，故制动平稳且能量消耗小，但是制动力较弱，特别是低速时尤为突出；另外控制系统需附加直流电源装置。
三、成果介绍
对于整个系统，我首先在设计中确定了三相异步电动机的调速方式，其次，确定调速系统采用双闭环控制，整个系统可以实现电流、转速两个负反馈调节，使系统的性能大大提高。
然后使用计算机仿真软件MATLAB/Simulink对系统进行仿真，我自己也从中学到了很多东西，软件的运用更加熟练。
实验总结
两周的课程设计结束了，这次的课程设计不仅检验了我以前所学习的知识，还让我学到了很多以前不是很熟悉的知识。
通过做课程设计我了解和掌握了关于异步电动机和MATLAB/Simulink等方面的相关内容，受益匪浅。
并进一步了解和掌握了调压调速系统，比较全面的将所学的电力拖动和控制等方面的知识运用于设计当中。
整个异步电机调压调速系统分阶段地完成，从仿真的模型设计到电力拖动方面的设计，是一步一步的完成和组合。
在本次设计中，我和同组人员翻阅了很多资料，并在网上查阅相关知识，然后进行整合和整理才将设计的课题要求加以总结和完成。
同时，我觉得，这次设计不仅仅让我了解和掌握了相关异步电机调压调速系统的相关知识，还学会了如何对资料进行整合和分类。
我们同组人员都是分工合作，然后总结在一起。
这个过程让我体会到了合作的重要性。
正所谓“实践是检验真理的唯一标准”，这次的课程设计对我来说无疑是一次实践课程的真实体验。
所能够学到的东西是平时课本中所没有的。
我想，只有把理论知识和实践知识相结合才能有更大的收获。
这次的设计任务让我从中获益很多，虽然有些知识掌握的还不是特别清晰，但是这两周里，通过大量资料的查阅还是很有收获的，我知道在这次的设计中还存在着很多的不足之处，希望老师给予见谅。
学生签名：
年月日
评语与成绩：
教师签名：
年月日
附录一
三相异步电动机的机械特性MATLAB程序如下：
%三相异步电动机的机械特性
%定义为inductor_motor_torque_speed_realation
Clc
Clear
%下面输入电动机参数
U1=220/sqrt（3）;
Nphase=3;
P=2;
fN=50;
R1=0.095;
X1=0.680;
X2=0.672;
Xm=18.7;
%下面计算电动机速度
Omegas=2*pi*fN/P;
nS=60*fN/P;
%下面是转子电阻的循环数值
form=1:
5
ifm==1
R2=0.1;
elseifm==2
R2=0.2;
elseifm==3
R2=0.5;
elseifm==4
R2=1.0;
else
R2=1.5;
end
%下面是转差率计算
forn=1:
2000
s（n）=n/2000;
Tmech=Nphase*P*U1*2*R2/s（n）/Omegas/[（R1+R2/s（n））^2+（X1+X2^2）];
%绘图
plot（s（n）,Tmech）
holdon
end
holdon
end
holdon
xlabel（‘转差率’）
ylabel（‘电磁转距’）
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